CN113541334B - 微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，包括设置在同一水平面上的微波功率源、微波超表面结构和接收端。微波超表面结构由若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线组成。金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间。微波功率源设置在中心空间。本发明还提供了一种微波超表面结构，并提供微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输的应用和微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输方法。本方案利用微波超表面结构通过对微波功率源和接收端的近场产生扰动作用的原理，提升无线传输效率。同时中心对称的超表面结构保证了接收端可以在超表面结构上任意位置高效接收功率。本发明提供了一个具有较高潜在应用价值的无线功率传输系统。

Description

微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传输领域，特别涉及一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统及方法。

背景技术

按照传输机理无线功率传输可以分为电感式、电容式以及磁耦合谐振式三种类型。其中电感式功率传输(Inductive power transfer，IPT)技术主要是利用时变磁场在互感线圈之间的互耦实现无线功率传输。电容式功率传输(Capacitive power transfer，CPT)技术则是利用电容极板之间感应电场实现功率的无线传输。而基于磁耦合谐振式无线功率传输(Magnetic Resonance Coupling wireless power transmission，MRC-WPT)理论则是基于近场耦合效应，通过调整发射端和接收端的电参数，使其处于谐振状态，从而实现“中距离”(传输距离约为谐振器尺寸2-5倍)上的高效无线功率传输。

基于IPT和CPT技术的无线充电系统具有距离上的局限性。例如目前市面上在售的手机无线充电器，都需要将手机放置在充电板上，手机一旦离开充电板，传输效率便会迅速下降。同时基于安全和便捷性考虑，充电板尺寸通常略大于手机，因而手机在充电时所能实现的自由活动量度较小。目前仍处于实验阶段的磁耦合谐振式无线功率传输系统虽然可以实现中距离范围内的高效功率传输，但是接收端的运动轨迹通常被限定在一条直线或者一个环形平面上，而且当接收端远离发射端时，传输效率急剧下降，这对于磁耦合谐振式无线功率传输技术的实践(商业)应用构成了极大的限制。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，并结合提供了该系统的应用，还提供了一种无线功率传输方法。微波超表面结构通过对微波功率源和接收端谐振器的近场产生扰动作用，增加微波功率源和接收端之间的耦合作用从而提升无线功率的传输效率。本发明提供了一个具有较高实际应用价值的无线功率传输系统，解决了上述该技术领域存在的问题。

本发明采用的技术方案如下：

1、一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，包括设置在同一水平面上的微波功率源、微波超表面结构和接收端。所述微波超表面结构为若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线；所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间，所述微波功率源设置在金属导线形成的中心空间。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述接收端是由共轴的单匝线圈和介电谐振器组成。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述微波超表面结构中的金属导线沿径向均匀分布在一个圆上。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述微波超表面结构中的金属导线的内端距离圆圆心的距离相等。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述所有金属导线的结构相同、长度相等。

2、一种微波超表面结构，包括设置在同一平面的若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线。所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述金属导线沿径向均匀分布在一个圆上。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述金属导线内端距离圆的圆心的距离相等，且金属导线的长度相等。

3、一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统的应用，所述的应用为一种无线充电桌面，包括前述任一项所述的磁耦合谐振式无线功率传输系统和一个桌面。将微波超表面结构安装在桌面内，所述微波超表面结构所在平面和桌面平行。将微波功率源安装在微波超表面结构的下表面中心位置，形成一个进行无线功率传输的桌面；将接收端放置在微波超表面结构(即桌面上微波超表面结构的对应区间)上的任意位置，实现无线功率接收。

4、一种微波超表面结构的磁耦合谐振式无线功率传输方法，基于前述任一项所述的无线功率传输系统，包括以下步骤：

步骤S1：将接收端放置在微波超表面结构上的任一位置；

步骤S2：打开微波功率源发射微波，接收端接收微波，实现功率无线传输。

本方案是对现有的无线功率传输系统做了创造性的改进。现有的IPT和CPT技术实现的无线功率传输系统具有距离上的局限性，例如目前市面上在售的手机无线充电器，都需要将手机放置在充电器的充电板上。手机一旦离开充电板，传输效率便会迅速下降。同时基于安全和便捷性考虑，充电板尺寸通常略大于手机，因而手机在充电时所能实现的自由活动量度极小。目前仍处于实验阶段的磁耦合谐振式无线功率传输系统虽然可以实现中距离范围内的高效功率传输，但是接收端的运动轨迹通常被限定在一条直线或者一个环形平面上，并且当接收端远离发射端时，传输效率急剧下降，这对于磁耦合谐振式无线功率传输技术的(商业)应用构成了极大的限制。

在本方案中，我们基于耦合模原理，设计出一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统。系统包括设置在同一水平面上的微波功率源、微波超表面结构和接收端。这里我们说的微波功率源是指用于发射微波的装置，微波功率源一般包括提供微波信号的外接功率源和产生微波的发射端，其中，外接功率源可以是由外接的微波信号源和功率放大器组成。发射端包括微波发射端发射线圈和发射端谐振器。微波超表面结构是由长度相同的金属导线组成。导线沿径向均匀分布在一个圆上。导线两两不相交，金属导线内端距离该圆圆心的距离相同，并且彼此之间的夹角相等。接收端内含有接收端谐振器，即前述的介电谐振器。接收端谐振器和发射端谐振器产生谐振作用，进而实现无线功率输送。将微波功率源的发射端置于超表面结构下表面中心位置，用于发射微波。微波超表面结构通过对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升功率传输效率。

本方案所述的系统可以在保证较高功率传输效率的基础上，实现功率接收端在圆形平面上的自由移动。我们基于本方案所述的系统提供一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输的应用。将微波超表面结构安装在一个桌面内。将微波功率源安装在超表面结构的下表面中心位置，形成一个可以进行无线功率传输的桌面；将接收端放置在微波超表面结构(即桌面上微波超表面结构的对应区间)上的任意位置，实现无线功率接收。本应用特别适合于桌面式的无线充电系统，例如手机、平板电脑、桌面LED台灯等作为接收端在无线充电桌面上进行无线充电。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，利用微波超表面结构会对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升了功率传输效率；

2.本发明所述的一种微波超表面结构，设置在同一平面的若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线结构可以对谐振器的近场产生扰动，使得微波功率源可以实现在一个平面内高效无线功率传输，进一步实现一个平面内任意方向的高效无线功率传输；

3.本发明所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输的应用，将微波功率源的发射端安装在超表面结构的下表面中心位置，形成一个可以进行无线功率传输的桌面；将接收端放置在微波超表面结构在桌面上对应区间的任意位置，实现无线功率接收；

4.本发明所述的一种微波超表面结构的磁耦合谐振式无线功率传输方法，当微波功率源和超表面结构安装好之后，将接收端放置在微波超表面结构上的任一位置，打开微波功率源，即可以实现无线功率高效传输。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的无线功率传输系统的结构示意图；

图2是本发明的微波超表面结构示意图；

图3是本发明的微波功率源和接收端示意图；

图4是本发明的微波功率源或接收端结构示意图；

图5是本发明的4线圈MRC-WPT传输系统；

图6是本发明的4线圈MRC-WPT传输系统等效电路原理图；

图7是本发明的匹配状态下的磁场分布灰度图；

图8是本发明的传输效率随发射端和接收端距离变化图；

图9是手对本发明的系统传输效率的影响示意图；

图中，1-发射端，2-接收端，3-介电谐振器，4-单匝发射线圈，5-金属导线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图9对本发明作详细说明。

实施例1：

一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，如图1所示，包括设置在同一水平面上的微波功率源、微波超表面结构和接收端。所述微波超表面结构为若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线，所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间。所述微波功率源(包含外接功率源以及发射端，发射端包括微波发射端发射线圈和发射端谐振器)。图1中，将微波功率源简化为发射端。发射端位于超表面结构下表面中心位置，用于发射微波。微波超表面结构通过对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升功率传输效率。

工作原理：本方案是对现有的标准4线圈MRC-WPT系统做了创造性的改进。现有的系统如图5所示。该系统需要保证发射端的发射线圈和接收端的接收线圈处于正对状态，否则，传输效率将会急剧下降。

在本方案中磁耦合谐振式无线功率传输系统包括微波功率源、微波超表面结构和接收端。微波超表面结构为辐射状分布的金属导线，将微波功率源放置在微波超表面结构的下表面中心位置。这里我们利用微波超表面结构对发射端谐振器和接收端谐振器周围近场产生扰动的原理，增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升功率传输效率。同时中心对称的超表面结构保证了接收端可以在超表面结构上任意位置高效接收功率。

为了更加清晰的阐述本发明的工作原理，我们使用图5所示的经典4线圈系统模型来介绍磁耦合谐振式无线功率传输系统的传输原理。图5中微波功率源和负载分别接在发射线圈和接收线圈上。根据耦合模原理，当发射端和接收端处于谐振状态时，磁耦合谐振式无线功率传输系统传输效率可以表示为：

其中，Γ代表由欧姆和辐射损耗所引起的模式衰减系数，下标T、R和W分别代表发射端，接收端和负载。K_TR代表发射端和接收端之间的耦合系数。当K_TR/(Γ_TΓ_R)>1时候，磁耦合谐振式无线功率传输系统处于强耦合区，系统传输效率较高。图6为4线圈磁耦合谐振式无线功率传输系统的电路原理图。发射端和接收端使用串联RL电路来表示。其中电阻R是由发射和接收端损耗(欧姆和辐射)引起的。外接电容C₁和C₂可以用来调整发射端和接收端的谐振频率。基于图6所示的等效电路原理图，磁耦合谐振式无线功率传输系统的传输效率可以表示为：

其中P_in和P_Rl表示为系统的输入和负载功率。

基于耦合模原理，为了获得匹配状态下的传输效率，首先需要调整电容C₁和C₂，使发射端和接收端谐振在目标频率ω₀。其次，利用(3)式计算系统谐振模式频率。

最后调整负载阻抗实现理论上的最大传输效率。基于以上方法，我们使用ComsolMultiphysics 5.3仿真研究了系统传输效率随传输距离变化情况。图7为匹配状态下的磁场分布灰度图。图8所示系统传输效率随着传输距离的增大而逐渐减小。这是因为发射端和接收端传输距离的增加会导致彼此之间耦合系数K_TR减小。但是相比之下，如图中所示，当传输距离大于5cm的时候，带有超表面结构的MRC-WPT系统的传输效率要比不带超表面结构的MRC-WPT系统高15％左右。这是因为超表面结构可以通过扰动发射端谐振器和接收端谐振器的近场增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而有效的提升功率传输效率。和传统的磁耦合谐振器相比，虽然传输效率相差不大，但是本方案可以保证传输效率大于50％的情况下，接收端在半径约为20cm的平面上自由运动。相比之下，传统的使用相同谐振器磁耦合谐振式无线功率传输系统接收端只能在一条直线或一个圆环上运动。否则一旦偏离，效率便会迅速下降。

考虑到本方案可能应用在桌面移动移动终端无线充电领域，本方案还根据国际电磁辐射安全标准(ICNIRP Guidelines 2020)，计算了本方案的最大安全输出功率。将人手放在接收端和发射端中间(人手距离发射端的距离L＝7.5cm，发射端距离接收端的距离D＝15cm)，人手距离接收端的垂直距离为2mm。人手模型由日本国立信息和通信研究院提供，包含7种生物组织(皮肤，脂肪，肌肉，血液，骨头，软骨和韧带)。通过对比比吸收率可以计算出最大输入功率为6.8W。这一功率可以满足绝大多数移动设备(手机，平板电脑，桌面LED台灯等)的充电需求。

我们还研究了充电过程中，人手对于系统的影响。如图9所示，当人手从输入端逐渐移动到输出端的过程中，我们发现虽然手的存在会使传输效率降低。然而效率最大降幅仅有8％。结果表明系统传输效率具有较强的鲁棒性。

实施例2：

本方案基于实施例1，是实施例1的进一步说明，所述接收端是由共轴的单匝线圈和介电谐振器组成。

所述微波超表面结构是由长度相同的金属导线组成。导线沿径向均匀分布在一个圆上。导线两两不相交，金属导线内端距离该圆圆心的距离相同，并且彼此之间的夹角相等。微波超表面结构通过对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升功率传输效率。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

一种微波超表面结构，如图2所示，包括设置在同一平面的若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线，所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间。

本方案所述的微波超表面结构通过对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用，增加发射端和接收端之间的耦合作用从而提升功率传输效率。同时中心对称的超表面结构保证了接收端可以在超表面结构上任意位置高效的接收功率。

实施例4：

本实施例是实施例3的进一步说明，所述金属导线沿径向均匀分布在一个圆上。所述金属导线内端距离圆圆心的距离相等，且金属导线的直径和长度都相等。如图2，这里所有金属导线的直径、长度相等，且相邻金属导线的和夹角均相等。

本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。

实施例5：

一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输的应用。基于实施例1或2的磁耦合谐振式无线功率传输系统。所述的应用为一种无线充电桌面，包括实施例1或2任一项所述的磁耦合谐振式无线功率传输系统和一个桌面。将微波超表面结构安装在桌面内，所述微波超表面结构所在平面和桌面平行。将微波功率源安装在超表面结构的下表面中心位置，形成一个进行无线功率传输的桌面；将接收端放置在超表面(即桌面上微波超表面结构的对应区间)上的任意位置，实现无线功率接收。

本实施例是基于实施例1或2的磁耦合谐振式无线功率传输系统的应用，形成了一个具有无线功率传输的桌面。本方案可以应用在办公室的办公桌、咖啡厅的咖啡桌、家里的书桌等。将微波超表面结构安装在桌面内。将微波功率源的发射端安装在超表面结构的下表面中心位置。微波超表面结构通过对发射端谐振器和接收端谐振器的近场产生扰动作用增加发射端和接收端之间的耦合作用，从而提升功率传输效率。同时中心对称的超表面结构保证了接收端可以在超表面结构上任意位置高效的接收功率。将例如手机、平板电脑、台灯作为接收端放置在微波超表面结构(桌面上微波超表面结构的对应区间)上的任意位置，就可以实现高效无线功率传输。

实施例6：

一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输方法，基于实施例1或2任一项所述的无线功率传输系统，包括以下步骤：

步骤S1：将接收端放置在微波超表面结构上的任一位置；

步骤S2：打开微波功率源发射微波，接收端接收微波，实现无线功率传输。

本实施例基于实施例1或2所述的系统，将微波源和微波超表面结构安装好后实际上就形成了一个无线功率传输装置。将接收端放置在微波超表面结构上的任意位置即可实现高效无线功率传输。在实际应用中，我们可以将微波超表面结构安装在桌面内，微波功率源的发射端安装在微波超表面结构的下表面中心位置，形成一个可以进行无线功率传输的桌面。接收端放置在微波超表面结构在桌面上对应区间的任意位置，都可以实现无线功率传输。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，其特征在于：包括设置在同一水平面上的微波功率源、微波超表面结构和接收端；

所述微波超表面结构为设置在同一平面的若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线，所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间，所述微波功率源设置在金属导线形成的中心空间。

2.根据权利要求1所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，其特征在于：所述接收端由共轴的单匝线圈和介电谐振器组成。

3.根据权利要求1所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，其特征在于：所述微波超表面结构中的金属导线沿径向均匀分布在一个圆上。

4.根据权利要求3所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，其特征在于：所述微波超表面结构中的金属导线的内端距离的圆心的距离相等。

5.根据权利要求3所述的一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统，其特征在于：所述所有金属导线的结构相同、长度相等。

6.一种微波超表面结构，其特征在于：包括设置在同一平面的若干辐射状分布、两两互不相交的金属导线，所有金属导线的内端互不接触，金属导线的内端形成中心空间。

7.根据权利要求6所述的一种微波超表面结构，其特征在于：所述金属导线沿径向均匀分布在一个圆上。

8.根据权利要求7所述的一种微波超表面结构，其特征在于：所述金属导线内端距离圆的圆心距离相等，且金属导线的长度相等。

9.一种微波超表面结构磁耦合谐振式无线功率传输系统的应用，其特征在于：所述的应用为一种无线充电桌面，包括权利要求1-5中任一项所述的磁耦合谐振式无线功率传输系统和一个桌面；将微波超表面结构安装在桌面内，超表面结构所在平面和桌面平行；将微波功率源安装在微波超表面结构的下表面中心位置，形成一个可以进行无线功率传输的桌面；将接收端放置在微波超表面结构上的任意位置，实现无线功率接收。

10.一种微波超表面结构的磁耦合谐振式无线功率传输方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的无线功率传输系统，包括以下步骤：

步骤S1：将接收端放置在微波超表面结构上的任一位置；

步骤S2：打开微波功率源发射微波，接收端接收微波，实现功率无线传输。

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